燃料工质与热化学

点燃式和压燃式内燃机工作过程、燃烧理论、性能分析及参数调控Email:sjshuai@Phone14汽车发动机原理帅石金清华大学汽车工程系1/36◎燃料理化特征决定了内燃机混合气形成和着火方式，是造成内燃机不一样工作方式决定原因◎燃料热值（混合气热值），既是内燃机原理基础之一，也是影响动力性和经济性“量”步骤主要原因之一(热化学）◎工质热力参数对循环热效率有巨大影响，是决定内燃机动力性、经济性“质”步骤主要原因◎燃油组分对燃烧和排放有主要影响，是发动机满足严格排放法规关键步骤之一讲课内容第一部分：动力输出与能量利用第1章性能指标与影响原因第2章燃料、工质与热化学第3章工作循环与能量利用第4章换气过程与进气充量第5章运行特征与整车匹配第二部分：燃烧与排放第6章燃烧基础知识第7章柴油机混合气形成与燃烧第8章汽油机混合气形成与燃烧第9章有害排放物生成与控制第10章新燃烧方式与替换燃料动力2/361.燃料及其理化特征2.汽油机与柴油机工作模式差异3.工质及其热力特征4.燃烧热化学讲课内容第一部分：动力输出与能量利用第1章性能指标与影响原因第2章燃料、工质与热化学第3章工作循环与能量利用第4章换气过程与进气充量第5章运行特征与整车匹配第二部分：燃烧与排放第6章燃烧基础知识第7章柴油机混合气形成与燃烧第8章汽油机混合气形成与燃烧第9章有害排放物生成与控制第10章新燃烧方式与替换燃料动力3/36分类方法燃料种类燃料按起源分矿物质代用燃料压缩天然气（CNG），液化天然气（LNG），液化石油气（LPG）煤制甲醇，煤制二甲醚（DME），煤制柴油（CTL），天然气制柴油（GTL）等生物质代用燃料各种植物油，如菜籽油、豆油、棉籽油、棕榈油、椰子油和葵花油等植物油或动物油脂加工成酯类化合物（生物柴油）生物燃料制柴油（BTL）植物或农作物制取乙醇等按代用或着火方式分汽油（点燃）代用燃料CNG、LPG、甲醇、乙醇、氢气等柴油（压燃）代用燃料生物柴油，DME，CTL，GTL，BTL等按形态分气体代用燃料氢气，CNG，LNG，LPG，DME，煤气，沼气等液体代用燃料甲醇，乙醇，生物柴油，BTL，CTL，GTL等固体代用燃料煤粉（与燃料油或乳化剂混合）按化学成份分烃类代用燃料CNG，LNG，LPG，BTL，CTL，GTL等含氧代用燃料醇类代用燃料甲醇，乙醇等醚类代用燃料甲基叔丁基醚（MTBE），乙基叔丁基醚（ETBE），叔戊基甲醚（TAME），二甲醚（DME），二异丙基醚（DIPE），二正戊基醚（DNPE）等酯类代用燃料生物柴油（甲酯），合成酯氢气代用燃料氢气发动机替换燃料分类替换燃料——除石油汽油、柴油以外烃类/醇类/醚类/酯类/氢气等燃料4/36AlkanesorParaffins-singlebondsbetweencarbons-CnH2n+2AlkenesorOlefins-oneormoredoublebondsbetweencarbons-CnH2nAlkynesorAcetylenes-oneormoretriplebondsbetweencarbons-CnH2n-2烷烃烯烃炔烃甲烷乙烷异辛烷乙烯丙烯丁二烯乙炔C-C单健C＝C双健C≡C三健多键非饱和烃结合牢靠，不易断链，不易自燃但不饱和烃安定性差，长久存放轻易氧化变质饱和烃，氧化安定性好；异构体结构紧凑,不易断链,不易自燃，理想汽油成份碳氢(hydrocarbon)燃料分类5/36碳氢(hydrocarbon)燃料分类环烷烃NapthenesC-C单健CnH2n环烷烃属饱和烃，性质比较稳定，不易断链，不易氧化变质，较为理想汽油组分芳烃benzene苯toluene甲苯naphthalene萘环状结构紧凑,不易断链,不易自燃Aromatics-oneormoreringstructures－CnH2n-6/126/36Alcohols-containoneormoreOHgroups醇甲醇乙醇燃料含氧促进燃烧含氧(oxygenated)燃料分类Ethers–containanoxygenatomconnectedtotwoalkylorarylgroups(R–O–R)醚甲醇二甲醚7/36Esters-chemicalcompoundsderivedbyreactinganoxoacidwithahydroxylcompoundsuchasanalcohol酯含氧(oxygenated)燃料分类（植物油/脂肪酸）（甲醇）（植物油甲酯/生物柴油）（甘油）自学含氧燃料理化特征8/36烃燃料分子结构、成份与理化特征1)烃燃料结构对理化特征影响

链与环—环化学稳定性好，不易自燃

直链与支链(或正烷与异烷)—支链(异烷)化学稳定性好，抗爆好(如正庚烷C7H16和异辛烷C8H18辛烷值分别为0和100)单键和多键—多键非饱和烃不易断链，不易自燃，但安定性差，贮存中易氧化结胶(如烯烃)燃料抗爆性比较：1)环烷烃正烷烃2)烯烃正烷烃3)异烷烃正烷烃4)芳香烃烷烃/烯烃9/36烃燃料分子结构、成份与理化特征燃料自燃性比较：1)环烷烃<正烷烃2)烯烃<正烷烃3)芳香烃<烷烃/烯烃4)1-甲基奈－压不着1)烃燃料结构对理化特征影响

链与环—环化学稳定性好，不易自燃

直链与支链(或正烷与异烷)—支链(异烷)化学稳定性好，抗爆好(如正庚烷C7H16和异辛烷C8H18辛烷值分别为0和100)单键和多键—多键非饱和烃不易断链，不易自燃，但安定性差，贮存中易氧化结胶(如烯烃)10/36烃燃料成份、分子结构与理化特征2)烃燃料成份对理化特征影响

C原子数C越多，化学稳定性差，着火温度低，易自燃；但物理稳定性也好，不易气化

H/C比

燃料热值由H/C比决定,因为H比C热值高(约3.7:1)，柴油H/C<汽油H/C→柴油Hu(42500kJ/kg)<汽油Hu(44000kJ/kg)；但单位质量H燃烧所需要O(空气)多(约是C3倍)，因而理论混合气热值：汽油Hum

柴油Hum(3750kJ/m3)；实际中，汽油机在

a=1工作，柴油在

a≥1.2工作，则有：汽油Hum>柴油HumH/C大，则排放特征好： C—CO、CO2有害 H—H2O无害CNG、LPGH含量高(0.25和0.182)，所以其CO、黑烟、微粒、CO2低于汽、柴油→H/C越大，燃料越清洁11/36发动机燃料主要技术指标1)自燃性：可燃混合气在一定温度、压力条件下自行着火燃烧能力自燃性对柴油尤其主要，自燃性差，则起动性差，工作粗暴十六烷值是评价柴油自燃性好坏指标十六烷值CetaneC16H34HCCHHHH.......HCCHHHHCetaneNumberCN=100CCCCCCCCCCHHHHHHHCH3CetaneNumberCN=0－甲基萘－MethylnaphthaleneC11H1012/36燃油十六烷值测量CFRenginewasdevelopedbytheAmericanCooperativeFuelResearchCommittee.燃料研究联合协会WaukeshaEngine:F5-CetaneMethodDieselFuelRatingUnit13/36发动机燃料主要技术指标2)抗爆性：燃料不发生爆燃(Knocking)能力抗爆性对汽油来说非常主要，希望自燃性差，抗爆性好辛烷值是评价汽油抗爆性好坏指标CCCCCCCHHHHHHHHHHHHHHHH异辛烷Iso-OctaneC8H18

OctaneNumber100ON＝100正庚烷n-HeptaneC7H16

OctaneNumber0ON＝0CCCCCHHHHHHHHH14/36辛烷值马达法和研究法测量RON>MON燃料敏感性Sa＝RON－MON抗爆指数Ai=(RON+MON)/2MON与RON，谁试验条件更苛刻？CN＝60.96-0.56×MONCN＝68.54-0.59×RON

调整压缩比蜗杆轴专用带有爆震传感器可变压缩比单缸发动机：缸径/冲程＝85/11515/36发动机燃料主要技术指标3)蒸发性(1)饱和蒸气压：在要求条件下燃油和燃油蒸气到达平衡状态时，燃油蒸气压力(Reid饱和蒸气压RVP)蒸气压高，说明燃油中轻质组分多，发动机冷起动性能好，混合气形成速度快，有利于燃烧蒸气压过高，在储存和运输过程中易产生蒸发损失，着火危险性大；也轻易在燃油供给系统中形成“气阻Choking”10个碳原子以上烃类饱和蒸气压靠近于0→柴油蒸气压靠近0夏季蒸气压(3月～8月)：

65kPa冬季蒸气压(9月～2月)：

88kPa16/36发动机燃料主要技术指标3)蒸发性(2)馏程：燃油在要求条件下蒸馏出某一百分比温度(范围)初馏点—燃料中含有最轻馏分沸点，但不能判断轻馏分含量10％馏程(T10)—燃料中含有轻馏分大约数量，反应汽油机冷起动性50％馏程(T50)—燃料平均蒸发性能，反应汽油机工作稳定性90％馏程(T90)—燃料中重质馏分含量，反应汽油机燃烧完全性干点（终馏点）—燃料中含有最重馏分沸点驾驶性指数蒸发驾驶性指数17/36每吨石油能产出油品百分比基本是一定(中国柴:汽=2:1),这一百分比也决定了二者谁也不可能淘汰对方不一样馏程碳氢成份及理化特征18/36发动机燃料主要技术指标4)低温流动性液体燃料低温流动性是指在低温条件下，燃料在发动机燃料供给系统中能否顺利地进行泵送和经过燃料过滤器，从而确保发动机正常供油。“浊点”是油品在要求冷却过程中，开始析出石蜡结晶最高温度。“冷滤点”是在200mm水柱抽力下，1min内20mL油样不能完全经过一个350目金属滤网过滤器时最高温度。“倾点”是燃料在要求冷却过程中，能够流动最低温度。“凝点”是燃料在要求冷却过程中，石蜡结晶析出、长大，相互连接成三维网状结构，把油包在其中，使油失去流动性最高温度。我国采取凝点作为柴油标号：10、5、0、-10、-20、-35、-50倾点19/36燃油组分与排放1)硫(Sulfur)硫天然存在于原油中。硫可显著地降低催化转化器中催化剂功效，同时在高温条件下对氧传感器造成不良影响。高硫燃油会使车载诊疗系统(OBD)失灵，使催化转化器监控装置发送错误诊疗码，并向司机发犯错误故障信号。2)烯烃(Olefins)烯烃是汽油提升辛烷值理想成份。不过因为烯烃有热不稳定性，造成它易形成胶质，并沉积在进气系统中，影响燃烧效果，增加排放。活泼烯烃蒸发排放到大气中会产生光化学反应，进而引发光化学污染。3)芳烃(Aromatics)芳烃通常是汽油高辛烷值组分，含有高能量密度。不过，芳烃会造成发动机产生沉积物，增加尾气排放，包含CO2。4)苯(Benzene)苯是原油中天然组分，也是催化重整产物。尽管是高辛烷值组分，不过苯是一个致癌物质。20/36世界燃油规范汽油质量要求21/36世界燃油规范柴油质量要求22/36中国内燃机学会“油品与清洁燃料”分会23/361.燃料及其理化特征2.汽油机与柴油机工作模式差异3.工质及其热力特征4.燃烧热化学讲课内容第一部分：动力输出与能量利用第1章性能指标与影响原因第2章燃料、工质与热化学第3章工作循环与能量利用第4章换气过程与进气充量第5章运行特征与整车匹配第二部分：燃烧与排放第6章燃烧基础知识第7章柴油机混合气形成与燃烧第8章汽油机混合气形成与燃烧第9章有害排放物生成与控制第10章新燃烧方式与替换燃料动力24/361)混合气形成方式不一样◎汽油—易气化，缸外低压喷射蒸发，与空气形成预制均质混合气◎柴油—难气化，缸内高压喷雾成细小液滴，与空气形成非均质(分层)混合气2)着火及燃烧方式不一样◎汽油—难自燃，易点燃(SI)，用高压电火花点燃

预混燃烧，火焰传输。可在

a

=1条件下完全燃烧◎柴油—难点燃，易压燃(CI)

扩散燃烧，即边喷-边混-边燃，为了完全燃烧，必须

a

>1.0（1.2）3)负荷调整方式不一样◎汽油机—预混合，

a基本保持不变，量调整◎柴油机—分层混合，

a改变范围大（0~∞），质调整汽油机与柴油机工作模式差异homogeneousmixturestratifiedmixture思索：柴油能采取点燃方式吗？汽油能采取压燃方式吗？25/36MixtureHomogeneous均质混合气SparkIgnition火花点火MixtureStratified分层混合气CompressionIgnition压缩着火SI常规汽油机HCCIGDICI柴油机内燃机混合气形成和燃烧模式组合GasolineDirectInjection汽油缸内直喷HomogeneousChargeCompressionIgnition均质充量压燃26/361.燃料及其理化特征2.汽油机与柴油机工作模式差异3.工质及其热力特征4.燃烧热化学讲课内容第一部分：动力输出与能量利用第1章性能指标与影响原因第2章燃料、工质与热化学第3章工作循环与能量利用第4章换气过程与进气充量第5章运行特征与整车匹配第二部分：燃烧与排放第6章燃烧基础知识第7章柴油机混合气形成与燃烧第8章汽油机混合气形成与燃烧第9章有害排放物生成与控制第10章新燃烧方式与替换燃料动力27/36工质主要热力参数比热容与比热容比(等熵指数)

cp,cV随温度T上升而增加

k随温度T上升而下降由分子物理学可知：分配到分子每一个自由度热量是相同,则分子自由度(原子数)↑，cp和cV↑，k↓

k越大，cp和cV越小，相同加热量下，工质温升越高，循环热效率高28/361.燃料及其理化特征2.汽油机与柴油机工作模式差异3.工质及其热力特征4.燃烧热化学讲课内容第一部分：动力输出与能量利用第1章性能指标与影响原因第2章燃料、工质与热化学第3章工作循环与能量利用第4章换气过程与进气充量第5章运行特征与整车匹配第二部分：燃烧与排放第6章燃烧基础知识第7章柴油机混合气形成与燃烧第8章汽油机混合气形成与燃烧第9章有害排放物生成与控制第10章新燃烧方式与替换燃料动力29/36燃烧热化学要处理问题：燃烧需要多少空气；发出多少热量；燃烧前后工质改变设1kg燃料中有gC千克C、gH千克H、gO千克OH燃烧需要氧气是C三倍C燃烧后体积不变H燃烧后体积增大30/36燃烧热化学1)燃料完全燃烧所需空气量设：(1)1kg燃料完全燃烧需要O2为：而O2在空气中质量百分比为23.2%，即需空气量为（实际中是测量空气流量）：也称之为“质量化学计量比”（massstoichiometricratio）31/36燃烧热化学(2)1kg燃料完全燃烧需要O2摩尔(mol)为：而O2在空气中摩尔百分比为21.0%，即需空气量为：也称之为“摩尔化学计量比”（molestoichiometricratio）2)分子改变系数汽油机

＝1.07~1.12>柴油机

＝1.03~1.06，因为：汽油H含量大，燃后体积增大多一些柴油机

a大，有些空气不参加反应，其前后体积不变32/363)残余废气(residualgas